關(guān)于高速切削的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

高速切削是一個(gè)相對(duì)概念,，并且隨著時(shí)代的進(jìn)步而不斷變化,。一般認(rèn)為高速切削或超高速切削的速度為普通切削加工的5～10倍?？梢詮牟煌慕嵌葘?duì)切削速度進(jìn)行劃分,。
從加工工藝的角度看，高速切削加工范圍為：車(chē)削700~7000m/min,；銑削300~6000m/min,；鉆削200~1100m/min,；磨削150~360m/min。
也可以根據(jù)被加工材料來(lái)確定高速切削的范圍,，如加工鋼材達(dá)到380m/min以上,、鑄鐵700m/min以上、銅材1000m/min以上,、鋁材1100m/min以上,。
也可以根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速、功率,、錐孔大小,、和平衡標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分，如按主軸的Dn值劃分,，高速主軸的Dn值一般為500000~2000000,；
對(duì)于加工中心，可按主軸錐孔的大小來(lái)劃分：50號(hào)錐-----10000~20000r/min,；40號(hào)錐——20000~40000r/min,；30號(hào)錐——25000~40000r/min；HSK錐——20000~40000r/min,；KM錐——35000r/min以上.
研究表明：隨著切削速度的提高,，切削力會(huì)降低15～30％以上，切削熱量大多被切屑帶走,，加工表面質(zhì)量可提高1～2級(jí),，生產(chǎn)效率的提高，可降低制造成本20％～40％,。所以高速切削意義不是得到較高的表面切削質(zhì)量,。

國(guó)外對(duì)高速切削技術(shù)的研究比較早，可以追溯到20世紀(jì)60年代,。目前已應(yīng)用于航空,、航天、汽車(chē),、模具等多種工業(yè)中的鋼,、鑄鐵及其合金、鋁,、鎂合金,、超級(jí)合金（鎳基、鉻基,、鐵基和鈦基合金）及碳素纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料的加工,，其中以加工鑄鐵和鋁合金為普遍。加工鋼和鑄鐵及其合金可達(dá)到500～1500 m/min,，加工鋁及其合金可達(dá)到3000～4000 m/min,。
我國(guó)在高速切削領(lǐng)域方面的研究起步較晚,，20世紀(jì)80年代才開(kāi)始研究高速硬切削。刀具以高速鋼,、硬質(zhì)合金為主,，切削速度大多在100～200 m/min,，高速鋼在40 m/min以?xún)?nèi),。切削水平和加工效率都比較低。近年來(lái),，雖然對(duì)高速切削技術(shù)已有比較深的認(rèn)識(shí),，進(jìn)口的部分?jǐn)?shù)控機(jī)床和加工中心中也能達(dá)到高速切削加工的要求，但由于刀具等原因,，高速切削技術(shù)應(yīng)用也較少,。目前主要在模具、汽車(chē)、航空、航天工業(yè)應(yīng)用高速切削技術(shù)稍多,，一般采用進(jìn)口刀具,，以加工鑄鐵和鋁合金為主,。

高速切削技術(shù)主要分為兩方面,，一方面是高速切削刀具技術(shù)，包括刀具材料,、刀柄和刀夾系統(tǒng),、刀具動(dòng)平衡技術(shù)、高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),、檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)等,；另一方面是高速數(shù)控機(jī)床技術(shù)，包括機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)熱態(tài)特性、電主軸,、直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng),、數(shù)控與伺服系統(tǒng)的高速及高加速度性能、軸承潤(rùn)滑系統(tǒng),、刀具冷卻系統(tǒng)等,。

典型的刀柄結(jié)構(gòu)及其特性

HSK高速刀柄

在高速切削加工已成為機(jī)械加工制造技術(shù)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的BT刀具系統(tǒng)的加工性能已難以滿(mǎn)足高速切削的要求,。目前高速切削應(yīng)用較的有德國(guó)的HSK （德文Hohl Shaft Kegel縮寫(xiě)）刀具系統(tǒng),、美國(guó)的KM 刀具系統(tǒng)、日本的NC5,、BIG-PLUS刀具系統(tǒng)等以上皆屬于兩面拘束刀柄,。

刀具系統(tǒng)能在高速下進(jìn)行切削加工，應(yīng)滿(mǎn)足以下基本條件：

1. 較高的系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度,，前者指刀具與刀柄,、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度；后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性,。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度,，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

2. 較高的系統(tǒng)剛度

刀具系統(tǒng)的靜,、動(dòng)剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素,。刀具系統(tǒng)剛度不足會(huì)導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動(dòng)，從而降低加工精度,，并加劇刀具的磨損,，降低刀具的使用壽命。

3. 較好的動(dòng)平衡性

高速切削加工條件下,，微小質(zhì)量的不平衡都會(huì)造成巨大的離心力,，在加工過(guò)程中引起機(jī)床的急劇振動(dòng)。因此,，高速刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡非常重要,。
HSK刀柄是一種新型的高速錐型刀柄，其接口采用錐面和端面兩面同時(shí)定位的方式,，刀柄為中空,，錐體長(zhǎng)度較短，有利于實(shí)現(xiàn)換刀輕型化及高速化,。加工中心由于采用端面定位,，*消除了軸向定位誤差，使高速,、高精度加工成為可能,。

(1)HSK刀柄的工作原理和性能特點(diǎn)
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：
1)采用錐面、端面過(guò)定位的結(jié)合形式，能有效地提高結(jié)合剛度,。
2)因錐部長(zhǎng)度短和采用空心結(jié)構(gòu)后質(zhì)量較輕，故自動(dòng)換刀動(dòng)作快,，車(chē)床可以縮短移動(dòng)時(shí)間,，加快刀具移動(dòng)速度，有利于實(shí)現(xiàn)ATC的高速化,。
3)采用1：10的錐度,，與7：24錐度相比錐部較短，楔形效果較好,，加工中心故有較強(qiáng)的抗扭能力,，且能抑制因振動(dòng)產(chǎn)生的微量位移。
4)有比較高的重復(fù)安裝精度,。
5)刀柄與主軸間由擴(kuò)張爪鎖緊,，轉(zhuǎn)速越高，擴(kuò)張爪的離心力(擴(kuò)張力)越大,，鎖緊力越大,，故這種刀柄具有良好的高速性能，即在高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力作用下,，車(chē)床刀柄能牢固鎖緊,。

(2)這種結(jié)構(gòu)也有弊端：
1)它與現(xiàn)在的主軸端面結(jié)構(gòu)和刀柄不兼容。
2)由于過(guò)定位安裝,，必須嚴(yán)格控制錐面基準(zhǔn)線(xiàn)與法蘭端面的軸向位置精度,，與之相應(yīng)的主軸也必須控制這一軸向精度，使其制造工藝難度較大,。
3)柄部為空心狀態(tài),，裝夾刀具的結(jié)構(gòu)必須設(shè)置在外部，增加了整個(gè)刀具的懸伸長(zhǎng)度,，車(chē)床影響刀具的剛性,。
4)從保養(yǎng)的角度來(lái)看，HSK刀柄錐度較小,，加工中心錐柄近于直柄,，加之錐面、法蘭端面要求同時(shí)接觸,，使刀柄的修復(fù)重磨很困 難,，經(jīng)濟(jì)性欠佳。
5)成本較高,，刀柄的價(jià)格是普通標(biāo)準(zhǔn)7：24刀柄的1．5—2倍,。
6)錐度配合過(guò)盈量較小(是KM結(jié)構(gòu)的1／5—1／2)，數(shù)據(jù)分析表明，按DIN公差制造的HSK刀柄在8 000—20 000r?min運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，由于主軸錐孔的離心擴(kuò)張,，會(huì)出現(xiàn)徑向間隙。
7)極限轉(zhuǎn)速比KM刀柄低,，且由于HSK的法蘭也是定位面,，加工中心一旦污染，會(huì)影響定位精度,，所以采用HSK刀柄必須有附加清潔措施,。
(2)HSK刀柄的主要類(lèi)型及其特點(diǎn) 按DIN的規(guī)定，HSK刀柄分為車(chē)床的六種型式,。A,、B型為自動(dòng)換刀刀柄；加工中心C,、D型為手動(dòng)換刀刀柄,；E、F型為無(wú)鍵聯(lián)接,、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),，適用于超高速的刀柄。

高速切削主要應(yīng)用于回轉(zhuǎn)刀具,，要求機(jī)床主軸有較高的轉(zhuǎn)速,。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min時(shí)，7∶24主軸錐孔的大端會(huì)擴(kuò)大,，使刀具發(fā)生軸向竄動(dòng),，造成主軸抱死錐柄的后果，因此傳統(tǒng)的7∶24錐柄連接已不能適應(yīng)高速切削的要求,。為此,，德國(guó)早開(kāi)發(fā)了適用于高速切削的HSK(空心短錐柄）連接技術(shù)，是德國(guó)阿亨(Aachen)工業(yè)大學(xué)機(jī)床研究所在20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)的一種雙面夾緊刀柄,，它是雙面夾緊刀柄中有代表性的,。

HSK刀柄已于1996年列入德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)，并于2001年12月成為標(biāo)準(zhǔn)ISO12164,，2004年我國(guó)根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)制訂了HSK刀柄和主軸接口的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T19449）,。
與傳統(tǒng)的7∶24錐柄連接相比，HSK連接可實(shí)現(xiàn)錐柄和法蘭端面兩面同時(shí)接觸,，由于其剛度和重復(fù)定位精度較標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄提高了幾倍至幾十倍,，因此在機(jī)械制造業(yè)得到了的認(rèn)同和采用。HSK刀柄被用于銑削,、鉆削和車(chē)削加工中,。
HSK刀柄與主軸連接結(jié)構(gòu)與工作原理這種刀柄結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：有效地提高刀柄與機(jī)床主軸的結(jié)合剛度,。由于采用錐面、端面過(guò)定位結(jié)合,，使刀柄與主軸的有效接觸面積增大,，并從徑向和軸向進(jìn)行雙面定位，大大提高了刀柄與主軸的結(jié)合剛度,，克服了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7:24錐度柄在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)剛度不足的弱點(diǎn),。有較高的重復(fù)定位精度，并且自動(dòng)換刀動(dòng)作快,，有利于實(shí)現(xiàn)ATC的高速化。由于采用1:10的錐度,，其錐部長(zhǎng)度短(大約是7:24錐柄相近規(guī)格的一半),。每次換刀后刀柄與主軸的接觸面積一致性好，故提高了刀柄的重復(fù)定位精度,。由于采用空心結(jié)構(gòu),，質(zhì)量輕，便于自動(dòng)換刀,。具有良好的高速鎖緊性,。

BT刀柄
一般切削常用的是BT刀柄，而高速切削用得比較多的是HSK刀柄,。

BT刀柄的錐度為7：24,，轉(zhuǎn)速在10,000r/min左右時(shí)，刀柄－主軸系統(tǒng)還不會(huì)出現(xiàn)明顯的變形,，但當(dāng)主軸從10,000 r/min升高到40,000 r/min時(shí),，由于離心力的作用，主軸系統(tǒng)的端部將出現(xiàn)較大變形,，其徑跳由0.2 m左右增加到2.8 m左右,。刀柄與主軸錐孔間將出現(xiàn)明顯的間隙，嚴(yán)重影響刀具的切削特性,，高速下離心力造成BT刀柄－主軸系統(tǒng)變形,，因此BT刀柄一般不能用于高速切削

 HSK刀柄錐的結(jié)構(gòu)形式與常用的BT刀柄不同，它是一種新型的高速錐型刀柄,，采用錐面與端面雙重定位的方式,，在足夠大的拉緊力作用下，HSK 1：10空心工具錐柄和主軸1：10錐孔之間在整個(gè)錐面和支承平面上產(chǎn)生摩擦,，提供封閉結(jié)構(gòu)的徑向定位,。平面夾緊定位防止刀柄的軸向竄動(dòng)。HSK短錐柄部長(zhǎng)度短（約為標(biāo)準(zhǔn)BT錐柄長(zhǎng)度的1/2）,、重量輕,，因此換刀時(shí)間短,。在整個(gè)速度范圍內(nèi)，HSK錐柄比BT（7：24）具有更大的動(dòng),、靜徑向剛度和良好的切削性能,。國(guó)內(nèi)采用DIN6989b－1中的A型和C型標(biāo)準(zhǔn)，如HSK50A,、HSK63A,、HSK100A等。HSK50和HSK63刀柄的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)25,000 r/min,，HSK100刀柄可達(dá)12,000r/min,，平衡后的HSK刀柄可達(dá)40,000r/min。隨著轉(zhuǎn)速增加,，徑向剛度將有所降低.

KM刀柄的結(jié)構(gòu)
KM刀柄是1987年美國(guó)Kennametal公司與德國(guó)Widia公司聯(lián)合研制的1:10短錐空心刀柄,，其長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄長(zhǎng)度的1/3。由于配合錐度比較短,，且刀柄設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu),，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐可徑向收縮,，所以有效地解決了端面與錐面同時(shí)定位而產(chǎn)生的干涉問(wèn)題,。
研究表明：與BT刀柄相比，HSK刀柄與KM刀柄具有更加*的靜剛度和動(dòng)剛度,，其中由于KM刀柄的拉緊力與鎖緊力明顯大于HSK刀柄,，所以KM刀柄的性能。它們的結(jié)構(gòu)及性能比較見(jiàn)表1,。

刀柄型號(hào)               BT40               HSK-63B               KM6350
柄部結(jié)構(gòu)特征      7:24實(shí)心            1:10空心              1:10空心
結(jié)合及定位部位      錐面              錐面+端面             錐面+端面
傳力結(jié)構(gòu) 彈性套筒 彈性套筒 鋼球
拉緊力/kN              12.1                  3.5                    11.2
鎖緊力/kN              12.1                  10.5                  33.5
過(guò)盈量/μm              ----                   3~10                 10-25